JP2007080561A - Simulation circuit for calculating arc period of fuse - Google Patents
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Description
本発明は、ヒューズ溶断時のアーク期間における特性、すなわちアーク時間と、そのとき変化する電圧電流特性を正確に算出するシミュレーション回路に関する。 The present invention relates to a simulation circuit that accurately calculates characteristics in an arc period when a fuse is blown, that is, arc time and voltage-current characteristics that change at that time.
従来のシミュレーション用ヒューズモデルでは、実際にヒューズの遮断試験を行って電流と電圧の変化を測定し、測定して得られた電流と電圧の変化から、ヒューズ抵抗の時間変化を算出していた。そしてヒューズを時間とともに変化する抵抗としてモデル化してシミュレータに組み込んでいた。 In a conventional simulation fuse model, a fuse interruption test is actually performed to measure changes in current and voltage, and a change in fuse resistance with time is calculated from changes in current and voltage obtained by measurement. The fuse was modeled as a resistance that changes with time and incorporated into the simulator.
図3に、ヒューズを通過した電流と電圧波形から算出したヒューズの抵抗変化の一例を示す。このようなデータは、実験によって得られる。すなわち、ヒューズの定格容量、金属の組成や構造が変わる度毎に実験を行ない、ヒューズ溶断時における抵抗変化のデータを得る必要がある。
溶断時間の算出に関しては、図4のヒューズ試験回路を用いてヒューズに流れる電流を計算する。
FIG. 3 shows an example of the resistance change of the fuse calculated from the current and voltage waveform that has passed through the fuse. Such data is obtained by experiment. In other words, it is necessary to conduct an experiment each time the rated capacity of the fuse, the composition and structure of the metal change, and obtain data on resistance change when the fuse is blown.
Regarding the calculation of the fusing time, the current flowing through the fuse is calculated using the fuse test circuit of FIG.
図4において、11は直流電源、12は抵抗、13はインダクタンス、27はヒューズ、28はスイッチである。
ヒューズ27に蓄積されるエネルギー、すなわち熱量積分値が、ヒューズ27が溶断する基準となるエネルギー(許容エネルギー)に達した時を溶断時間とする方法がある。特にヒューズ27の抵抗を一定として、ヒューズ27に流れる電流を積分した値であるジュール積分値で表すことが多い。
まずヒューズ27に蓄積されるエネルギーであるジュール積分値W1を求める。短絡スイッチを投入する時刻をt=0とする。t秒後の電流i(t)は、(1)式で表される。
There is a method of setting the fusing time when the energy accumulated in the
First, a Joule integral value W1 which is energy stored in the
一方、許容エネルギーの値W2は、メーカーから出されているカタログ値の一部分を使用することが多い。通信用に使用されるヒューズ27は約10ms以内で遮断する程度の大きな電流の場合、許容エネルギー値は溶断時間に依存せず一定であることが多い。そのために、W2は定数とみなすことができる。
W1=W2となる時間tが、溶断時間である。図5にヒューズ溶断時間を説明するグラフを示す。このグラフには、許容エネルギー値と、あるインダクタンス値と抵抗値を(3)式の右辺に代入して得られるジュール積分値の時間変化を示している。許容エネルギー値と、計算により求めた熱量積分値との交点が溶断時間となる。
以上の解法は、ヒューズ27が約10ms以内で溶断する程度の大きな通過電流である時のみ成り立つ。ヒューズ27への通過電流が小さい時、すなわち溶断時間が長くなると、許容エネルギー値も時間とともに変化するので、計算が複雑になる。また回路定数が変わったときは、そのつどジュール積分値、溶断時間を導出する。そしてヒューズスイッチにこの値を投入してシミュレーション回路を組む必要が出てくる。
しかもヒューズ27を大規模給電系回路に組み込んだ場合には、複数の回路素子の間の相互作用が強くなる。そのために、図4に示す単純回路のパラメータを用いて、ヒューズ溶断時間を解析することはできない。
On the other hand, the allowable energy value W2 often uses a part of the catalog value provided by the manufacturer. In the case where the
The time t when W1 = W2 is the fusing time. FIG. 5 shows a graph for explaining the fuse blowing time. This graph shows the time change of the Joule integral value obtained by substituting an allowable energy value, a certain inductance value, and a resistance value into the right side of Equation (3). The intersection of the allowable energy value and the calorific integral value obtained by calculation is the fusing time.
The above solution is valid only when the
In addition, when the
図6に単純回路(図4)と大規模給電系回路におけるヒューズ27を通過する電流の違いを示す。短絡回路に含まれるインダクタンス値と抵抗値が同じでも、単純回路に比べて大規模給電回路の電流増加率は小さく、定常状態の電流値も小さいことがわかる。従って、単純回路と大規模給電系回路では、許容エネルギー値に達する時間、すなわち溶断時間も溶断時直前の通過電流も異なってしまう。
FIG. 6 shows the difference in current passing through the
かかる課題を解決する手段として、本発明者は、ヒューズ溶断時間シミュレーション回路を別途特許出願している(特願2005−86013号)。この回路は、回路に流れる電流を検出する検出部と、この検出部に直列に接続されて検出開始スイッチがONの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第1の演算部と、この第1の演算部と並列に接続されて前記検出開始スイッチがONの時の放散エネルギーを算出する第2の演算部と、前記第1,第2の演算部の演算結果を比較する比較部と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチとを備え、不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以上の場合に前記検出開始スイッチをONさせ且つ変動電流がしきい値以下の場合に前記検出開始スイッチがOFFすることを特徴とするものである。 As means for solving such a problem, the present inventor has filed a patent application separately for a fuse fusing time simulation circuit (Japanese Patent Application No. 2005-86013). The circuit includes a detection unit that detects a current flowing through the circuit, a first calculation unit that is connected in series to the detection unit and calculates fuse fusing energy when the detection start switch is ON, and the first calculation unit A second calculation unit that is connected in parallel to calculate the dissipated energy when the detection start switch is ON, a comparison unit that compares the calculation results of the first and second calculation units, and a target device And a fuse switch that simulates the state of the fuse, and when the fluctuation current generated at the time of the incomplete short-circuit is equal to or greater than a threshold value, the detection start switch is turned on and the fluctuation current is equal to or less than the threshold value. In this case, the detection start switch is turned off.
この回路図を図7に示すとともに以下にその動作を説明する。
直流電源11、抵抗12、インダクタンス13、短絡スイッチ14、ヒューズで一つの装置が構成されている。図7の回路では、ヒューズをヒューズスイッチ15と検出部16から成る直列回路に置き換えている。そしてヒューズ、すなわち代替されたヒューズスイッチ15を流れる電流を測定する。またヒューズを含む装置全体の抵抗値並びにインダクタンス値は、それぞれ抵抗12、インダクタンス13の一つのブロックにまとめている。
第1の演算部18は演算部19と積分部20とを備え、第2の演算部21は比較部22と演算遮断スイッチ23と演算部24とを備えている。
初めは短絡スイッチ14がOFF、ヒューズスイッチ15がONである。短絡スイッチ14をONにして回路に電流を流すと、その電流を検出部16が検出し、電圧V0に変換して出力する。
The circuit diagram is shown in FIG. 7 and the operation thereof will be described below.
A
The
Initially, the short-
ヒューズにエネルギーが蓄積されるしきい値をVthとする。V0>Vthのときは溶断モードであり、検出開始スイッチ17を第1の演算部18に接続する。このとき、第1の演算部18の演算部19で2乗して、溶断値Vmを求める。更に演算部19の演算開始時間を0秒とすると、積分部20は0秒からある時間t1秒まで積分して、溶断累積値V1(t1)を導出する。比較部25では、ヒューズのカタログ値V2と溶断累積値V1(t1)とを比較して、それらの差である実効累積値V3(=V2-V1)を導出する。
ここで、カタログ値V2は、メーカーで出されているヒューズの溶断時間と溶断電流の関係によりジュール積分値として容易に導き出すことができる。V3の値がプラスであれば溶断前と判断し、引き続き電流検出する。
The threshold value for storing energy in the fuse is defined as Vth . When V 0 > V th , it is a fusing mode, and the
Here, catalog value V 2 can be easily derived as the I2t by relationship issued by that fusing time with the fusing current of the fuse manufacturer. The value of V 3 is judged that the blow if it is positive, to continue current detection.
更に時間が経過してV3=0となったときに、ヒューズスイッチ15をオープン(OFF)する。従って、V3=0となる時間が溶断時間となる。
短絡スイッチ14をONにした後の検出部16から出力される電圧V0がしきい値Vth以下の場合(V0≦Vth)には、検出開始スイッチ17を第2の演算部21に接続して、ヒューズに蓄積されるエネルギーを放散(放出)するモードとなる。
第2の演算部21では、放散するエネルギーを算出する。比較部22で、しきい値Vthと検出部16から出力される電圧V0との差Vd1(=Vth-V0)を算出する。差Vd1がプラスのときは、演算遮断スイッチ23をONにして、その値を演算部24に出力する。演算部24では、得られた値を2乗し、-1を掛けることにより放散値Vdを計算して、第1の演算部の積分部20に出力する。
V0>Vthのときは溶断モードとなり、プラスの値である溶断値Vmが積分部20で累積されて、ヒューズに蓄積されるエネルギーを増加させていく。
Further, when time passes and V 3 = 0, the
When the voltage V 0 output from the
In the 2nd calculating
When V 0 > V th , the fusing mode is entered, and the fusing value V m, which is a positive value, is accumulated by the integrating
一方、V0≦Vthのときは放散モードとなり、マイナスの値である放散値Vdが積分器20で累積され、ヒューズに蓄積されたエネルギーを減少させていくこととなる。その減少する値は、ヒューズを通過する電流を変換した電圧V0と、しきい値Vthとの差分を元にしているため、通過する電流に応じて放散量が変化することとなる。すなわち、変換された電圧がしきい値よりも小さいが差分が小さい場合には、放散量が少なくなる。逆に差分が大きい場合には、放散量も大きくなる。
On the other hand, when V 0 ≦ V th , the dissipation mode is set, and the negative dissipation value V d is accumulated by the
以上説明したヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いることにより、装置に組み込むヒューズの溶断時間を正確に求めることができる。
図8に、図7に示した回路を用いてシミュレーションした結果と、装置にヒューズを組み込んで実験した結果を比較したグラフである。図8(a)はヒューズを通過する電流を比較したグラフ、図8(b)はヒューズ両端の電圧を比較したグラフである。ヒューズが溶断に至るまではよく一致しているが、ヒューズが溶断した点(溶断点)からヒューズ通過電流が0となり遮断に至るまでの期間、すなわちアーク期間に入ったときにはシミュレーションできなくなることがわかる。しかしながら、ヒューズが溶断した直後に電流、電圧が過渡的に変化することで他の通信装置に悪影響を及ぼす場合がある。
更にヒューズを時間の経過と共に変化する可変抵抗として、シミュレーションする方法もある。図9にヒューズを可変抵抗26にモデル化した回路図を示す。例えば断面積38mm2、長さ10mのCFDケーブルに直流電源11、短絡スイッチ14、ヒューズを接続する。12、13は、該CFDケーブルの抵抗値、インダクタンス値に対応する抵抗、インダクタンスである。短絡スイッチ14をONにしてからのヒューズの抵抗値の変化を測定する。
By using the fuse fusing time simulation circuit described above, the fusing time of the fuse incorporated in the apparatus can be accurately obtained.
FIG. 8 is a graph comparing the result of simulation using the circuit shown in FIG. 7 and the result of experiment with a fuse incorporated in the apparatus. FIG. 8A is a graph comparing the current passing through the fuse, and FIG. 8B is a graph comparing the voltage across the fuse. Although it agrees well until the fuse blows, it can be understood that simulation cannot be performed during the period from the point where the fuse is blown (melting point) until the fuse passing current becomes 0 and the fuse is blown, that is, during the arc period. . However, there are cases where other communication devices are adversely affected by transient changes in current and voltage immediately after the fuse is blown.
Further, there is a method of simulating the fuse as a variable resistor that changes with time. FIG. 9 shows a circuit diagram in which a fuse is modeled as a
しかし一つの系で測定したヒューズの抵抗値の変化のデータを、そのまま他の系に接続した場合のシミュレーションに利用することはできない。 However, the data of the change in resistance value of the fuse measured in one system cannot be used for the simulation when it is connected to another system as it is.
図10にそれを説明するためのグラフを示す。
図10(a)、(b)は、断面積38mm2、長さ10mのCFDケーブルにヒューズを接続したときのシミュレーション値と実験値との比較結果を示す。この場合は、シミュレーション値と実験値はよく一致している。
図10(c)、(d)は、断面積325mm2、長さ10mのCFDケーブルにヒューズを接続して実験した結果と、比較したものである。ヒューズ通過電流、溶断時間、跳ね上がり電圧が大きく異なっている。これはケーブルの断面積が変わると、ケーブルの寄生抵抗値とインダクタンス値が変化し、各特性に影響を及ぼすためである。
FIG. 10 shows a graph for explaining it.
FIGS. 10A and 10B show comparison results between simulation values and experimental values when a fuse is connected to a CFD cable having a cross-sectional area of 38 mm 2 and a length of 10 m. In this case, the simulation value and the experimental value are in good agreement.
FIGS. 10C and 10D are a comparison with the results of experiments conducted by connecting a fuse to a CFD cable having a cross-sectional area of 325 mm 2 and a length of 10 m. The fuse passing current, fusing time, and jumping voltage are greatly different. This is because when the cross-sectional area of the cable changes, the parasitic resistance value and inductance value of the cable change and affect each characteristic.
本発明は、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間と共に、ヒューズが溶断した直後のアーク期間における特性も正確にシミュレーションできる回路を提供しようとするものである。 The present invention seeks to provide a circuit capable of accurately simulating the characteristics during the arc period immediately after the fuse is blown, as well as the blow time of the fuse incorporated in the apparatus.
本発明(1)は、装置に組み込まれるヒューズに流れる電流を検出する検出部と、該検出部に接続されてヒューズ溶断エネルギーを算出する第1の演算部と、該検出部に接続されて放散エネルギーを算出する第2の演算部と、該第1、第2演算部の演算結果を比較する比較部と、ヒューズ溶断直後のアーク期間におけるアーク時間と、ヒューズを流れていた電流や該ヒューズの両端の電圧の変化を算出するアーク演算部とを有することを特徴とするヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路である。 The present invention (1) includes a detection unit that detects a current flowing in a fuse incorporated in a device, a first calculation unit that is connected to the detection unit and calculates fuse fusing energy, and is connected to the detection unit and dissipates. A second calculation unit for calculating energy, a comparison unit for comparing calculation results of the first and second calculation units, an arc time in an arc period immediately after the fuse is blown, a current flowing through the fuse, A simulation circuit for calculating an arc period of a fuse, comprising: an arc calculation unit that calculates a change in voltage at both ends.
本発明(2)は、前記アーク演算部はダイオードを有することを特徴とする本発明(1)のヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路である。 The present invention (2) is the simulation circuit for calculating the arc period of the fuse according to the present invention (1), wherein the arc calculation unit includes a diode.
本発明(1)の回路によれば、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間と共に、ヒューズが溶断した直後のアーク期間における特性、すなわちアーク時間と、そのとき変化する電圧電流特性も正確にシミュレーションできる。本回路で測定した結果を用いることにより、例えばアーク期間において電圧の跳ね上がりが大きいと過電圧の伝搬が生じ、他系の通信装置に影響を及ぼしたり、溶断時間が長いと他系の通信装置の電圧低下期間が長くなり装置停止が生じることが考えられるため、他の通信装置を保護するための補償回路の設計等を、容易に行なうことができる。
本発明(2)によれば、ヒューズが溶断してその両端の電圧が急激に低下するときの特性も正確にシミュレーションすることができる。
According to the circuit of the present invention (1), the characteristics in the arc period immediately after the fuse is blown, that is, the arc time and the voltage-current characteristics that change at that time can be accurately simulated together with the fusing time of the fuse incorporated in the apparatus. . By using the results measured with this circuit, for example, if the voltage jump is large during the arc period, overvoltage propagation occurs, affecting other communication devices, and if the fusing time is long, the voltage of the other communication device Since it is conceivable that the decrease period becomes longer and the apparatus is stopped, it is possible to easily design a compensation circuit for protecting other communication apparatuses.
According to the present invention (2), it is possible to accurately simulate the characteristics when the fuse is blown and the voltage at both ends of the fuse is rapidly reduced.
図1に本発明の実施の形態に係るヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路を示す。このヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路は、装置に組み込まれるヒューズに流れる電流を検出する検出部16と、検出部16に接続されてヒューズ溶断エネルギーを算出する第1の演算部18と、検出部16に接続されて放散エネルギーを算出する第2の演算部21と、第1、第2演算部18、21の演算結果を比較する比較部25と、ヒューズ溶断直後のアーク期間におけるアーク時間と、ヒューズを流れていた電流や該ヒューズの両端の電圧の変化を測定するアーク演算部31とを有する。
FIG. 1 shows a simulation circuit for calculating an arc period of a fuse according to an embodiment of the present invention. The simulation circuit for calculating the arc period of the fuse includes a
以下本形態をより詳細に説明する。
なお、前述した図7と同じものは、同一符号で示す。これは図7に示した回路にアーク演算部31を追加すると共に、ヒューズスイッチ15をアーク算出切り替えスイッチ36に置き換えている。
アーク演算部31では、アーク用コンデンサ32、アーク用抵抗33、アーク用ダイオード34が直列に接続されている。またアーク用ダイオード34と並列に、シミュレーションエラーを防ぎ、数値計算上の収束性を向上することができる抵抗35が接続されている。
ヒューズを装置に組み込んで該装置を動作させてからヒューズが溶断するまでの時間をシミュレーションするときは、アーク算出切り替えスイッチ36は、アーク演算部31を介さないで直接検出部16に接続される。そして短絡スイッチ14をONにして、測定を開始する。
Hereinafter, this embodiment will be described in more detail.
In addition, the same thing as FIG. 7 mentioned above is shown with the same code | symbol. In this circuit, an
In the
When simulating the time from when the fuse is incorporated into the apparatus and the apparatus is operated until the fuse is blown, the arc
回路に流れる電流を検出部16が検出し、電圧V0に変換する。電圧V0がしきい値より大きいとき、すなわちV0>Vthのときは、溶断モードとなり、検出スイッチ17を第1の演算部18に接続する。演算部19で電圧V0を2乗して溶断値Vmを求め、積分部20でこの溶断値Vmを累積する。電圧V0がしきい値Vth以下のとき、すなわちV0≦Vthのときは、放散モードとなり、検出スイッチ17を第2の演算部21に接続する。比較部22で、しきい値Vthと電圧V0との差Vd1(=Vth-V0)を算出する。演算部24で差Vd1を2乗して-1を掛けることにより放散値Vdを計算し、積分器20で累積する。比較部25で累積された値V1とヒューズのカタログ値V2とを比較して実効累積値V3(=V2-V1)を計算し、ヒューズの溶断時間に達したか否かをチェックする。V3=0となった時間が、ヒューズの溶断時間である。
The
比較部25で溶断時間に達したことを検出したときは、アーク算出切り替えスイッチ36をアーク演算部31に切り替える。そしてヒューズ溶断後の電流の変化等をシミュレーションする。
実際に装置にヒューズを装着し、該ヒューズが溶断したときの電流の変化等から、予め容量値、抵抗値等を計算しておく。これらの値に対応するコンデンサ32、抵抗33を用いてアーク演算部31を構成することにより、ヒューズ溶断後の電流の変化等を正確にシミュレーションすることができる。
また図1に示した回路では、アーク用ダイオード34と抵抗35の並列回路を接続している。ヒューズが切断して電流が流れなくなる瞬間には、該ヒューズの両端の電圧は急激に変化する。これはダイオード34を用いることで、シミュレーションすることができる。
When the
A fuse is actually attached to the apparatus, and a capacitance value, a resistance value, and the like are calculated in advance from a change in current when the fuse is blown. By configuring the
In the circuit shown in FIG. 1, a parallel circuit of an
図2に、前記の2種類のCFDケーブルにヒューズを接続し、本発明の回路を用いてシミュレーションしたグラフを示す。図2(a)、(b)は断面積38mm2、長さ10mのケーブルにヒューズを接続したもの、図2(c)、(d)は断面積325mm2、長さ10mもケーブルにヒューズを接続したものである。両方とも、シミュレーション値と実験値がよく一致している。 FIG. 2 shows a graph in which a fuse is connected to the two types of CFD cables and simulation is performed using the circuit of the present invention. 2 (a) and 2 (b) show a fuse with a cable with a cross-sectional area of 38mm 2 and a length of 10m. Figures 2 (c) and 2 (d) show a cross-sectional area of 325mm 2 and a cable with a length of 10m with a fuse. Connected. In both cases, the simulated and experimental values are in good agreement.
(アーク演算部の変形例)
アーク演算部31はアナログ回路を用いて示したが、CPU等を用いてプログラミングし、デジタル的に処理するようにしてもよい。この場合、容量値、抵抗値等の設定が容易になり、様々な装置に組み込まれたヒューズの特性のシミュレーションを簡単に行なうことができる。
(Modification of arc calculation unit)
Although the
11:直流電源
12:抵抗
13:インダクタンス
14:短絡スイッチ
15:ヒューズスイッチ
16:検出部
17:検出開始スイッチ
18:第1の演算部
19:演算部
20:積分部
21:第2の演算部
22:比較部
23:演算遮断スイッチ
24:演算部
25:比較部
26:可変抵抗
27:ヒューズ
28:スイッチ
31:アーク演算部
32:アーク用コンデンサ
33:アーク用抵抗
34:アーク用ダイオード
35:抵抗
11: DC power supply 12: resistor 13: inductance 14: short circuit switch 15: fuse switch 16: detection unit 17: detection start switch 18: first calculation unit 19: calculation unit 20: integration unit 21: second calculation unit 22 : Comparator 23: Computation cutoff switch 24: Computation unit 25: Comparison unit 26: Variable resistor 27: Fuse 28: Switch 31: Arc computation unit 32: Arc capacitor 33: Arc resistor 34: Arc diode 35: Resistor
Claims (2)
The simulation circuit for calculating an arc period of a fuse according to claim 1, wherein the arc calculation unit includes a diode.
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